物理所实现单原胞层强磁性钴氧化物超薄膜
与硅基半导体材料兼容的大面积铁磁超薄量子功能材料对于发展下一代高性能纳米甚至亚纳米尺寸自旋电子学器件具有重要意义。近年来，学术界发现了Fe3GeTe2、CrI3等具有铁磁和垂直磁各向异性的二维范德华材料，掀起了低维磁性材料研究的热潮。过渡金属氧化物具有耐酸、耐腐蚀、优异的热稳定性、空气体稳定性等优点，可与硅半导体技术相结合。该材料具有多自由度、强关联耦合的特点，使其对各种物理场敏感。因此，过渡金属氧化物是开发下一代高灵敏度、低功耗和多功能电子器件的理想材料之一。然而，目前大多数磁性氧化物薄膜面临的一个挑战是，当其厚度小于“磁死层”的临界厚度(约4至5个原胞层)时，薄膜样品的铁磁转变温度降低，饱和磁化强度减弱，甚至磁性完全消失，这从根本上限制了过渡金属氧化物超薄层在微纳磁性功能器件中的应用。
钙钛矿型钴氧化物(LaCoO3)富含自旋态转变。虽然本征块体材料不具有长程有序自旋排列，但是LaCoO3薄膜在衬底施加的拉伸应力下表现出异常的铁磁绝缘特性。前期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心特约研究员郭尔嘉利用单晶衬底表面台阶上的面内双旋转对称性，实现了对LaCoO3薄膜准一维铁弹结构和磁各向异性的精确控制。利用自行设计的流体静力高压原位装置的极化中子反射谱，在国际上首次研究了可逆晶格畸变引起的磁变化。在物理所研究生李思思的指导下，研究了不同膜厚和不同外延应力下LaCoO3薄膜的轨道序和自旋态对宏观磁性的非线性调控作用。这些研究证明，人工设计的微结构可以高效地控制钴离子的自旋状态，从而实现铁磁有序和铁磁弹性有序的共存和耦合，为铁磁性LaCoO3超薄膜的实现提供了实验依据。
最近，在郭尔佳、李思思和物理所博士生林杉的指导下，与物理所研究员金奎娟、顾林和朱滔合作，利用SrCuO2无限层氧化铜随厚度减小的结构转变，诱导钴氧八面体键长和键角的变化，实现了单原胞层厚度(约0.4nm)、强磁性(~~0.5μB/Co)、高居里温度(~~75K)
利用脉冲激光沉积技术，研究人员实现了单个原生细胞层规模的薄膜生长，精确控制了原生细胞层的层数、重复周期、截止面和薄膜的堆叠方式(图1)，根据功能需求人工设计和剪裁了氧化物异质结和超晶格，实现了乐高式的原子层排列，为强关联电子系统的材料研究和物理机制探索奠定了基础。在这项研究中，研究人员通过二阶非线性光学探测方法证实，当氧化铜SrCuO2的无限层厚度减少到5个原胞层时，CuO2氧化铜表面的原子构型将从水平(平面)变为垂直(链状)。同时，面外晶格常数从3.43？增加到3.9？，晶格被拉伸超过10%。利用SrCuO2插层晶格随厚度的变化，研究人员探索了LaCoO3超薄膜结构和磁性的变化规律和物理机制。当SrCuO2的厚度小于5层原细胞层(链状)时，LaCoO3超薄膜表现出典型的铁磁性。当SrCuO2_2的厚度大于5层原细胞层(平面型)时，LaCoO3_3超薄膜的铁磁性消失(图2)。为了阐明[(LaCoO3)m/(SrCuO2)n]15超晶格磁性的起源，研究人员先后进行了磁性圆二色光谱(XMCD)和偏振中子反射光谱(PNR)测量。测量结果都表明超晶格的磁性仅由超薄层LaCoO3贡献(图3)。探索LaCoO3超薄膜铁磁性的物理起源是关键。利用扫描透射电子显微镜的环场亮相模式，研究人员精确观察了不同周期超晶格中不同原子的位置，明确了氧化钴八面体键长和键角的变化规律(图4)。SrCuO2结构相变前后，钴-氧-钴键的角度从168°增加到180°，钴-氧键的长度增加了约1.1%。氧八面体参数的这些微小变化会导致晶格场能量和交换能的差异，改变电子在t2g和eg能级的分布，从而导致钴离子从低自旋态向高自旋态转变，促进长程有序电子自旋排列。为了最大化微结构对钴自旋态的影响，研究人员制备了单胞层LaCoO3和单胞层SrCuO2结构的超晶格(图5)，发现单胞层LaCoO3的饱和磁化强度和居里温度高于其他单胞层磁性氧化物；该材料表现出类似磁性二维材料的强磁各向异性，为光泵和电流驱动的超薄自旋轨道扭矩器件提供了一种替代材料。
相关研究成果发表在《AdvancedMaterials》杂志上，标题为《原子级薄钴文章中通过呼吸实现的强铁磁性》，并被选为卷首文章。李思思、林珊和物理研究所副研究员张清华是该论文的第一作者。金奎娟和郭尔佳是该论文的合著者。该研究得到了科技部R&D重点计划、国家自然科学基金、北京市科技新星计划、北京市自然科学基金、中国科学院战略性主导科技项目(B类)的支持。用于研究的国内科学仪器包括中国散裂中子源多功能中子反射线站和北京正负电子对撞机X射线吸收谱4B9B线站等。这项工作还得到了武汉理工大学教授桑、亚利桑那州立大学博士曼努埃尔·罗尔丹、中国科学院高能物理研究所研究员王娇欧在测量X射线吸收谱方面、朱滔以及美国国家标准局中子散射研究部博士RyanNeed和BrianKirby在测量极化中子反射方面的支持。
资料来源:物理研究所
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